【沪粤2024版】九下17.2电动机转动的原理 核心素养教学设计

/ 让教学更有效 高效备课 | 物理学科
《17.2电动机转动的原理》教学设计
课题 2.电动机转动的原理 单元 17 学科 物理 年级 九下
教材分析 本节内容是沪粤版九年级下册第十七章第二节，属于“电磁学”模块的核心知识之一。教材以“电动机为何能转动”为切入点，通过设计实验探究磁场对电流的作用力，引导学生从现象出发，逐步构建“通电导体在磁场中受力”的物理模型，并进一步引出换向器的作用机制，最终归纳出直流电动机的工作原理。该部分内容承上启下，既是对前一节“磁场与电流关系”的深化，也为后续学习发电机原理奠定基础。教材注重科学探究过程，强调动手实践与思维推理相结合，体现了新课标倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。
2022新课标要求 结合实例，了解电动机的工作原理。通过实验，探究通电导体在磁场中受到力的作用，知道力的方向与电流方向、磁场方向的关系。了解换向器在电动机中的作用。明确高铁动力核心是电动机“通电导体在磁场中受力”原理
学习目标与核心素养 1.物理观念（1）能说出通电导体在磁场中会受到力的作用，并能准确描述该力的方向与电流方向、磁场方向之间的关系。
（2） 能解释电动机中换向器如何实现线圈持续转动，理解其在维持转动方向一致性中的关键作用。2.科学思维通过分析线圈在磁场中的运动状态变化，理解换向器的“换向”逻辑，发展动态推理和模型建构能力；能归纳受力方向与电流、磁场方向的关联，形成规律性认知。3.科学探究参与“探究磁场对通电导体的作用力”实验，经历“提出问题→设计方案→实验操作→分析结论”的探究流程，掌握转换法和控制变量法。4.科学态度与责任了解电动机在高铁、机器人等现代科技中的应用，感受我国“复兴号”等科技成就，增强民族自豪感；认识技术创新对科学原理实际应用的推动作用，培养对电磁学技术的兴趣和创新意识。
学情分析 九年级学生已具备一定的电学基础知识，如电流、电路、磁极间相互作用等，对电动机的常见应用有直观感受，但对内部工作原理缺乏系统理解。他们正处于抽象思维发展的关键期，能够接受一定层次的逻辑推理，但对“力的方向与电流和磁场方向的关系”这类矢量关系的理解仍存在困难。部分学生可能因实验操作经验不足而产生畏难情绪。因此，在教学中需借助可视化实验装置、动态演示视频及分组合作探究等方式降低认知负荷，通过情境任务驱动激发兴趣，采用“问题链+实验验证+模型建构”的递进式教学策略，帮助学生突破难点，建立正确的物理观念。
重点 1.通电导体在磁场中受力的规律（受力的存在性、力的方向与电流/磁场方向的关系）；2.换向器的结构与核心作用（改变线圈电流方向，实现持续转动）；3.直流电动机的工作原理（通电线圈受力转动+换向器持续换向）；4.电动机的能量转化（电能→机械能）及典型应用。
难点 1.理解“平衡位置”的含义及线圈在平衡位置的运动特点；2.换向器如何在关键时刻改变电流方向，使线圈越过平衡位置后持续转动；3.受力方向与电流方向、磁场方向的双向关联。
材料准备 金属轨道、磁铁、开关、电池、能够在轨道上滚动的金属杆。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入上节课我们拆开电动机，发现它由定子和转子组成，进而猜想：电动机转动可能是磁场对通电线圈有力的作用。今天，我们就来探究磁场中的通电导体受到的作用力。 回忆上一节的内容 温故而知新引出本节课题
讲授新课 一、探究磁场中的通电导体受到的作用力活动1探究磁场中的通电导体受到的作用力1.实验器材金属轨道、磁铁、开关、电池、能够在轨道上滚动的金属杆，滑动变阻器。2.实验方法：控制变量法探究受力方向时，分别控制磁场和电流方向不变，研究单一变量的影响3.实验步骤（1）按照下图连接电路，闭合开关，观察金属棒AB是否运动。（2）移开蹄形磁铁，重复步骤，观察金属棒是否运动。（3）保持磁场方向不变，对调电源正负极，即改变电流方向，再次接通电路，观察运动方向是否改变。（4）恢复原电流方向，对调磁铁 N、S 极即改变磁场方向，再次接通电路，观察运动方向是否改变 。（5）同时改变电流方向和磁场方向，再次接通电路，观察运动方向是否再次改变。视频：通电导线在磁场中受力4.实验结论：通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力；力的方向跟磁场的方向和导体中电流的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。*注意事项金属棒、导轨需保证良好导电，避免接触不良导致实验失败。 磁场方向保持不变时，才能通过电流方向的改变，明确二者对受力方向的影响关系活动2：通电线圈在磁场中的运动1.实验目的探究线圈在磁场中的运动特点2.实验器材线圈模型、磁铁、电源、开关、导线3.实验步骤以及实验现象（1）按照下图连接电路，使线圈平面与磁感线平行，闭合开关，观察实验现象。现象：如图所示通电线圈在磁场中两边受力，但方向相反，发生顺时针转动。（2）观察当线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受力以及转动情况。当线圈的平面与磁感线垂直时，通电线圈受平衡力作用，线圈来回摆动几次就停在该位置上了。视频：线圈不能连续转动思考：你能想出让线圈在磁场中持续转动的方法吗？参考答案方法一：如果在线圈越过平衡位置后停止对线圈供电，由于惯性，线圈会继续转动。转动半周后再继续供电，线圈就可以持续转下去了。方法二：如果在线圈转动的后半周，设法改变后半周的电流方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈就可以持续转下去了。二、换向器的作用1.换向器（1）组成：由两个半圆形铜环组成。（2）作用：是在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续向同一方向转动。电动机上的换向器2.电刷（1）通常是石墨材质，与换向器紧密接触。（2）作用：将外部电源的电流传导至转动的线圈，且能减小摩擦，保证电流传输稳定。注意：电刷固定，半圆环随线圈转动三、电动机的工作原理1.直流电动机工作原理(a)（a）线圈在初始位置，电流路径“电刷4→半环2→线圈→半环1→电刷3”，c边受力向上、a边受力向下，线圈逆时针转动。(b)（b）线圈转至平衡位置，电刷与半圆环绝缘部分接触，线圈无电流、不受力，依靠惯性越过平衡位置；(c)（c）线圈越过平衡位置，半圆环随线圈转动，电流路径变为“电刷4→半环1→线圈→半环2→电刷3”，c边受力向下、a边受力向上，线圈持续逆时针转动。视频：直流电动机工作原理直流电动机工作原理：通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。2.典型应用（1）动圈式扬声器①结构：永磁体、线圈、振膜；②原理：随声音变化的电流通过线圈，在磁场力作用下线圈带动振膜振动发声。③作用：把电信号转换成声信号。④原理：扬声器的线圈中通入随声音变化的电流时，线圈和与它相连的振膜也随之振动，于是扬声器就发出了声音。由于变化的电流在磁场中受到的力也是变化的，因此扬声器发出的声音也是变化的。（2）磁电式电流仪表原理：通电线圈在磁场中受到安培力而偏转。磁场对通电导体作用的应用十分广泛，电动玩具和机器人也用到这一原理。拓展延伸 ( 15.磁电式电表.exe )磁电式电流表结构特点：电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。②作用：把电信号转换成声信号。③原理：扬声器的线圈中通入随声音变化的电流时，线圈和与它相连的振膜也随之振动，于是扬声器就发出了声音。由于变化的电流在磁场中受到的力也是变化的，因此扬声器发出的声音也是变化的。STSE 不同功能的电动机1.阅读课文说一说电动机的分类。电动机分为直流电动机和交流电动机直流电动机又分为步进电动机和直线电动机1.步进电动机的应用摄像机摄像机中的各种部件能灵活、精准地转动和移动，就是通过步进电动机来实现的。步进电动机还广泛应用于打印机、传真机、机器人等设备中。2.直线电动机的应用直线电动机是一种能沿着金属轨道做直线运动的感应电动机，磁浮列车上用的就是直线电动机。直线电动机还广泛应用于测量、激光焊接、激光切割等机械中。跨学科实践 高铁提速的可行性分析复兴号动车组列车2024年5月，京广高铁武汉至广州段，安全标准示范线建设拉通试验圆满成功，复兴号动车组列车最高试验时速达385公里，可常态化按时速350公里高标运行。思考讨论：“贴地飞行”的高铁，还能更快吗？从科学角度看，高铁进一步提速需要突破哪些限制？提速后如何保障安全？（一）方案制定与实施1.高铁原理：通电导体在磁场中受到力的作用的原理工作，将电能转化为机械能，驱动车厢运动就是电动机的工作原理。它的每节车厢配备小型电动机，多组电动机协同工作，总牵引力远大于传统单个火车头，实现动力分散布局，提升高铁整体动力性能。2.影响速度的因素（1）电动机效率：电动机效率是指电功转化为机械能的比例，部分能量会损耗为热能，效率高低直接影响动力输出效果。磁悬浮电机思路：可利用超导材料减少电阻，降低电热损耗，从而提升电动机效率，为提速提供动力支持。（2）轨道结构和材料轨道分为：有砟轨道和无砟轨道。复兴号动车组通常运行在高速铁路上，其轨道结构主要采用无砟轨道具体结构由：垫层、底座、道床、轨枕、扣件、钢轨组成。垫层：一般由级配碎石等材料组成底座：通常为钢筋混凝土结构道床：是无砟轨道的关键部分多采用钢筋混凝土板或道床板等结构形式轨枕：一般采用混凝土轨枕钢轨扣件：连接钢轨和轨枕，具有弹性钢轨：材质为高强度、耐腐蚀的合金钢。采用长钢轨，通常每根长度达500米，通过无缝焊接技术连接。视频：高铁轨道（3）风阻空气阻力（风阻）与速度的平方成正比，即f∝v ，速度翻倍时，风阻将增至原来的4倍，成为制约高铁提速的关键因素。用小车模拟列车，通过改变车体形状（如加装流线型外壳）、调整接触面光滑程度，探究空气阻力、摩擦力对运动速度的影响。3.研究方向选择方案1：风阻与车身设计例如探究流线型车身对减小风阻的作用、方案2：轨道材料的改进例如：分析新型材料提升轨道性能的可能性（1）组长负责统筹协调，根据小组成员特长确定研究方向，可以参考上述方案，也可自行制定方案（2）研究员通过书籍、网络等渠道搜集与研究方向相关的跨学科资料；（3）分析员梳理资料中的物理及跨学科知识关联，提炼关键信息；记录员根据小组讨论结果撰写研究提纲，明确报告框架。案例：轨道材料改进1.实践任务：资料查询明确查询任务：物理维度需获取新型轨道材料的压强耐受值、硬度系数等数据；化学维度要了解新型合金的主要成分（如高锰钢合金的锰含量）及耐磨、耐高温等特性；工程维度需搜集该材料在国内外高铁轨道中的实际应用案例（如某线路使用新型材料后轨道寿命提升数据）。2.提供标准化记录模板研究方向轨道材料改进物理知识材料硬度与形变关系跨学科知识新型合金的化学稳定性提速建议可根据小组实际研究填入（二）成果展示与交流写出研究报告，在小组或班级与同学们交流。可以将有创新且具有可行性的建议提交有关部门参考。 学生了解实验目的、实验器材、实验步骤并观看实验视频，出现实验现象在老师的引导下让学生发现规律，并总结实验结论聆听讲解，了解实验目的，实验器材以及实验步骤，观看视频，并实际操作，观察实验现象学生思考讨论回答观察图片了解换向器和电刷观察直流电动机原理图分析图聆听老师讲解观察拆解扬声器内部结构，阅读课文观察图片磁电式电流仪表拓展延伸作为高中物理的衔接阅读课文了解不同功能的电动机学生了解高铁的原理并在老师引导下制定方案，查阅资料，分小组合作研究 锻炼学生的观察理解能力，以及语言表达能力锻炼学生的归纳总结能力理解并掌握当电流方向或磁场方向单独改变时，运动方向改变；当两者同时改变时，运动方向不变。锻炼学生的动手能力观察能力以及逻辑思维能力拓展学生思维，提高学生学习的兴趣了解它们所起的作用进一步理解直流电动机持续转动的原理理解动圈式扬声器的原理了解磁电式电流仪表的工作原理了解磁电式电流表结构和特点锻炼学生的自主学习能力拓展学生的知识面锻炼学生的探索能力，跨学科的融合能力
课堂练习 1.如图所示，在直流电动机的工作过程中，“换向器”起到了关键的作用，它能在线圈刚转过平衡位置时就自动改变线圈中的__________ 。直流电动机工作时把电能转化为________ 和内能。【答案】电流方向 机械能【详解】[1]直流电动机的换向器，作用是在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，这样才能让线圈持续地转动下去。[2]直流电动机工作时，会把电能主要转化为机械能，同时因为线圈存在电阻，会产生少量内能。2.某同学进行了电动机的相关实验，如图所示。下列措施中不能增大电动机线圈的转速的是（ ）A．向右移动滑动变阻器的滑片P B．换用磁性更强的磁体C．增加电池的节数 D．将磁体N、S极对调【答案】D【详解】电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，即通电导体在磁场中受到力的作用；A．向右移动滑动变阻器滑片P，滑动变阻器接入电路的电阻减小，电路中的电流增大，线圈受到的作用力增大，线圈转速提高，故A不符合题意；B．换用磁性更强的磁体，可以增大线圈受力，提高线圈转速，故B不符合题意；C．增加电池的节数，可以增大电压，从而使电流增大，可以增大线圈受力，提高线圈转速，故C不符合题意；D．将N、S极对调，可以改变转动方向，不能改变转速，故D符合题意。故选D。3.小明用如图所示的实验装置探究磁场对通电导线的作用，闭合开关，原本静止的直导线AB水平向右运动。要使直导线AB水平向左运动，下列措施可行的是（　　）A．断开开关 B．将蹄形磁体的N、S极对调C．换用磁性更强的蹄形磁体 D．将滑动变阻器的滑片P向右移动【答案】B【详解】闭合开关，原本静止的直导线AB水平向右运动。要使直导线AB水平向左运动，可以将蹄形磁体的N、S极对调，改变磁场方向或者将电源的正、负极对调，改变电流方向，改变通电导体的受力方向，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 1.通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力；力的方向跟磁场的方向和导体中电流的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。2.核心原理：通电导体在磁场中受力转动。3.换向器的作用在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续向同一方向转动。4.通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。5.应用实例：磁浮列车、摄像机、家电等。 学生总结教师补充 让学生对本门知识有个系统理解
板书 探究电动机转动的原理 一、探究磁场中的通电导体受到的作用力1.通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力；力的方向跟磁场的方向和导体中电流的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。二、换向器的作用1.组成：由两个半圆形铜环组成。2.作用：在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续向同一方向转动。三、电动机的工作原理1.直流电动机工作原理：通电导体在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。2.典型应用动圈式扬声器、磁电式电流仪表、电动玩具和机器人四、跨学科实践，高铁提速的可行性分析 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 《物理趣味小实验》（自制电动机相关章节）《电磁学入门》（安培力部分）、《简单电磁技术》
特色资源分析和技术手段说明 实验资源：蹄形磁铁+通电导线（定性演示），电动机工作原理短视频
教学反思 本节内容是沪粤版九年级下册第十七章第二节“电动机转动的原理”的教学核心是通电导体在磁场中受力转动，“化抽象为具象、化理论为实践”。初中学生的认知特点决定了教学不能仅停留在“知识传授”，更要注重“思维引导”和“能力培养”。未来教学中，需进一步优化实验设计、强化生活联结、兼顾学生差异，让学生在观察、操作、思考中理解核心规律，逐步提升抽象思维能力和应用迁移能力，真正实现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课标理念。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)